Прецизійні засоби вимірювання енергетичних характеристик оптичного випромінювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківська національна академія міського господарства

УДК 551.510.534

Прецизійні засоби вимірювання енергетичних характеристик оптичного випромінювання

05.09.07 - світлотехніка та джерела світла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Шабашкевич Борис Григорович

Харків 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у науково-виробничій фірмі «Тензор», м. Чернівці

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Назаренко Леонід Андрійович

Харківська національна академія міського

господарства, завідувач кафедри світлотехніки і

джерел світла

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Мачехін Юрій Павлович

Харківський національний університет

радіоелектроніки, завідувач кафедри фізичних

основ електронної техніки

кандидат технічних наук

Степура Володимир Ілліч

Комунальне підприємство «Київміськсвітло»,

начальник лабораторії

Захист відбудеться 24.03. 2011 р. о _14___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.089.02 у Харківській національній академії міського господарства (61002, Україна, м. Харків, вул. Революції, 12).

З дисертацією можна ознайомитися у Харківської національної академії міського господарства (61002, Україна, м. Харків, вул. Революції, 12).

Автореферат розісланий 19.02.2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Поліщук

прецизійний оптичний випромінювання термоперетворювач

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розповсюдженість оптичних вимірювань в різних галузях науки, техніки, сільського господарства, медицині пов'язана з унікальними можливостями, які несуть оптичні методи в широкому спектральному діапазоні. Точність вимірювання спектральних і інтегральних енергетичних величин оптичного випромінювання відіграє велике значення для санітарно-екологічного моніторингу, інформатики, молекулярної біології, космонавтики, фізики напівпровідників, і т. і.

Ультрафіолетове (УФ) випромінювання все більше використовується для знезаражування води, для створення атмосфери з високим ступенем стерильності в операційних, у цехах для виробництва мікросхемних пристроїв. УФ- випромінювання служить каталізатором ряду хімічних реакцій, використовується для профілактики різних захворювань. Особливу актуальність у наш час мають вимірювання в УФ-діапазоні озонного шару Землі, забруднення атмосфери і розв'язання інших екологічних проблем, у тому числі дотримання санітарних норм. Розв'язання цих актуальних задач потребує спеціальних УФ-радіометрів і дозиметрів з відомими спектральними характеристиками, що визначені в енергетичних одиницях, а також відповідного метрологічного забезпечення.

За останні десятиріччя у всьому світі встановлені станції моніторингу за спостереженням спектра сонячної радіації в УФ-діапазоні, що досягає земної поверхні. Більше того, зв'язок сонячного УФ-випромінювання зі шкідливим впливом на людей і екосистему у цілому і значний вплив на атмосферну хімію потребує високоточних вимірювань в УФ-діапазоні.

Відмітимо проект Євросоюзу, який фінансується з метою створення засобів і методів вимірювання УФ-випромінювання Quality Assurance of Spectral UV Measurements in Europe (QASUМE). Метою проекту є забезпечення гарантованої точності і достовірності вимірювання УФ-спектра радіометрами, які функціонують в Європі.

Складні задачі енергетичної радіометрії і фотометрії приходяться на ультрафіолетову, видиму і інфрачервону області спектра.

Розвиток інфрачервоної техніки поставив задачу створення необхідних засобів вимірювальної техніки, підвищення точності вимірювань, розширення спектральних і динамічних діапазонів вимірюваних величин.

Важливість світлових вимірювань визначається, в тому числі, тією роллю, яку вдігpaє зір у життєвій діяльності людини.

Підвищення точності світлових вимірювань має значний економічний ефект, маючи на увазі, яка кількість електроенергії йде на освітлення. Так, у відповідності з проведеним аналізом Міжнародного агентства з енергетики, енерговитрати на освітлення складають 19 %. Специфіка світлових вимірювань полягає у поступовому переході від зберігання і розповсюдження світлових величин за допомогою джерел, до зберігання і розповсюдження їх за допомогою фотометрів. Такий підхід, що пов'язаний з загальносвітовими тенденціями у цій області, які зумовлені більш потенційно високими метрологічними характеристиками фотометрів у порівнянні з лампами.

Зважаючи на очевидну важливість оптичних вимірювань, створення відповідних засобів і методів вимірювання є важливою задачею. При цьому створення відповідного засобу вимірювальної техніки повинно відбуватися найбільш доцільним чином як з точки зору технічного, так і економічного аспектів. Тому в ідеологію побудови такого засобу необхідно закласти найбільш перспективні напрямки, які б дозволили і в майбутньому розширювати можливості засобу. Зокрема, однією з важливих частин засобу вимірювання (радіометра, фотометра) є приймач.

З розвитком приймачів пов'язаний прогрес у сучасній радіометрії і фотометрії. Тому дуже важливим напрямком є створення нових приймачів оптичного випромінювання, а також удосконалення існуючих.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Тема дисертаційної роботи відповідає проблемам, над розв'язанням яких працює НВФ „Тензор”, а саме розробка оптимальних засобів вимірювальної техніки для вимірювання енергетичних параметрів оптичного випромінювання, зокрема для контролю технологічних процесів, екологічного та санітарного моніторингу.

Робота виконувалась у відповідності з Державною програмою „Створення еталонної бази України” (реєстраційний № 08.05-МВ/01-93 ДКНТП): по темі 06.01.04.01 „Створення Державного первинного еталона одиниці сили світла” 1992-1995, №№ ИА01006767Р, 0296И003339, співвиконавець); по темі 06.01.11.17 „Ство-рення Державного первинного еталону спектральних і інтегральних характеристик випромінювання яскравості, сили світла і освітленості” (продовження з 1998 р., співвиконавець), а також у відповідності з „Національною програмою поліпшення стану безпеки, гігієни праці та виробничого середовища на 2000 - 2005 роки”.

Мета і задачі дослідження

Метою досліджень є розвиток теорії та практики створення прецизійних засобів вимірювання енергетичних характеристик оптичного випромінювання в широкому спектральному діапазоні і різних умовах експлуатації.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати наступні задачі.

1. Аналіз особливостей розробки термоперетворювачів на термоелектричному анізотропному напівпровіднику для засобів вимірювальної техніки;

2. Дослідження термоелектричних анізотропних напівпровідників для використання їх в датчиках випромінювання у радіометричних системах;

3. Розробка методологічних підходів до вимірювання світлових величин при контролі санітарних норм на робочих місцях по освітленості та яскравості;

4. Обґрунтування необхідності розробки інтелектуальних УФ-радіометрів;

5. Створення метрологічного забезпечення засобів вимірювання енергетичної освітленості інфрачервоного і ультрафіолетового діапазонів;

6. Проведення експериментальних досліджень з використанням розроблених засобів вимірювання.

Об'єктом дослідження є процеси в системах вимірювання енергетичних характеристик оптичного випромінювання з покращеними метрологічними і експлуатаційними властивостями.

Предмет дослідження - засоби і методи проведення вимірювань і розрахунків фотометричних і радіометричних величин.

Методи дослідження. Методологічну основу наукових досліджень становить комплексний підхід щодо аналізу характеристик засобів вимірювання потоків оптичного випромінювання.

Теоретичний аналіз проведений в дисертаційній роботі, ґрунтується на положеннях фізики твердого тіла, термодинаміки, електродинаміки, методах підвищення точності вимірювальних засобів, теорії похибок та опрацювання результатів вимірювань.

Експериментальні дослідження проводились з використанням оптичних, електричних і температурних методів вимірювань, високоточної апаратури і засобів обчислювальної техніки.

Достовірність одержаних результатів обумовлена коректністю виконаних експериментів та розрахунків і підтверджується малими значеннями відхилень між результатами експериментальних досліджень і теоретичного аналізу, проведеного на підставі фундаментальних фізичних законів, а також порівняльним аналізом результатів інших авторів.

Наукова новизна одержаних результатів

В дисертаційній роботі отримані такі наукові результати.

1. Отримала подальший розвиток теорія термоелектричного перетворювача на базі анізотропного напівпровідника, яка показала можливості його використання для реєстрації оптичного випромінювання.

2. Вперше досліджена можливість створення напівпровідникового приймача з покращеною чутливістю для вимірювання УФ-випромінювання на основі фосфіду галію та плівки двоокису олова.

3. Розвинуто модель розрахунку низькотемпературного випромінювача «абсолютно чорне тіло», яка дозволяє оптимізувати його конструкцію для отримання максимальної випромінювальної здатності.

4. Розвинуто методику вимірювання енергетичних параметрів УФ- випромінювання з врахуванням спектральної поправки, спричиненої формою спектру джерела випромінювання, що дало можливість підвищити точність вимірювання.

Практичне значення одержаних результатів

1. Створено новий термоелектричний перетворювач на основі монокристалічного анізотропного антимоніду кадмію для діапазону 0,2 - 25 мкм з чутливістю не менше 0,52 В/Вт у діапазоні енергетичної освітленості 10 - 2^.10⁴ Вт/м².

2. Розроблено і впроваджено у виробництво портативні цифрові радіометри серії РАТ, з границею основної допустимої відносної похибки не більше ± 6% для метрологічного забезпечення вимірювань параметрів інтегральних характеристик енергетичної освітленості від 10 до 2·10⁴ Вт/м² у спектральному діапазон 0,2 - 25,0 мкм.

3. Створено випромінювач типу «абсолютно чорне тіло» з коефіцієнтом випромінюючої здатності 0,9997 для калібрування і повірки пірометрів, радіометрів та інших приладів, чутливих в інфрачервоному діапазоні з можливістю дискретного встановлення температури в межах 253-303К з кроком 0,5К і стабільністю підтримування заданого значення не гірше ±0,025К при градієнті температури вздовж твірної випромінювача не більше ±0,0025К.

4. З метою забезпечення прецизійних вимірювань створено випромінювачі типу «абсолютно чорне тіло» з коефіцієнтом випромінюючої здатності 0,998 і розширеним температурним діапазоном (235-473К) для апертур від 20 до 70 мм з можливістю дискретного встановлення температури з кроком 0,5К і стабільністю підтримування заданого значення не гірше ±0,01К.

5. Для калібрування робочих засобів вимірювань енергетичної освітленості в діапазоні 10 - 2000 Вт/м² для довжин хвиль 0,2 - 25 мкм розроблено метрологічну установку, що забезпечує границі допустимої основної відносної похибки не більше ± 1,5 %.

6. Розроблено новий високочутливий поверхнево-бар'єрний фотодіод на основі фосфіду галію та двоокису олова, легованого фтором для прецизійного вимірювання енергетичних параметрів оптичного випромінювання в ультрафіоле-товій ділянці спектру із значенням граничного потоку не більше 5^.10^-15 Вт/Гц^1/2, чутливістю не менше 0,15 А/Вт на довжині хвилі 300 нм та динамічним діапазоном на два порядки більшим ніж у аналогів.

7. Розроблено УФ радіометри УФР-21 та Тензор-31 для вимірювання енергетичної освітленості в діапазоні 10^-4 - 210² Вт/м² у спектральному діапазоні 0,2 - 0,4 мкм, границя допустимої основної відносної похибки яких може сягати ± 5 %.

8. Розроблено цифровий фотометр ТЕС-0693 для вимірювання освітленості від 0,1 до 10⁵ лк від довільно розташованого джерела і від 0,1 до 10⁴ лк від точкового джерела; яскравості від 10 до 2^.10⁵ Кд/м²; енергетичної освітленості від 0,1 до 200 Вт/м² у діапазоні довжин хвиль 300-1200 нм з границею допустимої основної відносної похибки не більше 5 %.

9. Для метрологічного забезпечення вимірювань освітленості в діапазоні 1·10²-1·10³ лк оптоелектронними приладами розроблено установку, що забезпечує границі допустимої основної відносної похибки вимірювання не більше ± 3,0 %.

Особистий внесок здобувача

У дисертації використані авторські розробки, ідеї та дослідження в наукових працях, публікаціях, виступах на конференціях, у розробці та практичному впровадженні яких автор приймав безпосередню участь. Розроблені прилади РАТ-1П, РАТ-2П, УФР-21, Тензор-31 та ТЕС-0693 які впроваджені в серійне виробництво.

У більшості перелічених досліджень та розробок вклад автора є вирішальним. В роботах у співавторстві здобувачеві належить участь у визначенні та постановці задач [2-16], теоретичних дослідженнях [6- 8, 12], розробці [1, 2, 8-16], моделюванні [7] а також в експериментальній перевірці та реалізації результатів досліджень [2- 16].

Апробація результатів дисертації

Викладені в дисертаційній роботі наукові положення та наукові результати доповідались на науково-технічних конференціях, симпозіумах та семінарах, в т.ч. міжнародних. Зокрема: Всесоюзной конференции «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле», Хабаровск, 1981; Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и средства машинной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов», Харьков, 1983; VI та VІІІ Всесоюзных координационных совещаниях “Материаловедение полупроводниковых соединений группы А²В⁵” Камянец-Подольский, 1984 та Черновцы, 1990; ХХІ Научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, 1996; VІІ International Metrologist' Seminar “Metods and Techniques of Signal Processing in Phisical Measurements, Rzeszow,1999; ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія та вимірювальна техніка”, м. Харків, 1999; International Semiconductor Conference, Sinaia, Romania, 2001; І Міжнародній науковопрактичній конференції «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве», Одеса, 2002; дванадцятій міжнародній конференції “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики”, Ялта, 2004.

Публікації

За темою дисертації опубліковано 38 наукових робіт, в тому числі 12 статей у фахових виданнях, 12 у збірниках тез та наукових праць конференцій. Отримано 1 авторське свідоцтво СРСР, 2 патенти України на винахід та 1 патент України на корисну модель.

Структура і обсяг дисертації

Дисертаційна робота складається із вступу, основної частини (розділи 1 - 5), висновків, списку використаних джерел і додатків, має 180 сторінки тексту, 47 рисунків та фотографій, 17 таблиць. Список літератури містить 141 джерело.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлено суть наукової проблеми, якій присвячено дисертаційні дослідження, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, основні завдання, новизну та практичну цінність отриманих результатів, розкрито зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, об'єкти і методи дослідження, реалізація і апробація отриманих результатів, структура дисертації.

У першому розділі представлений аналітичний огляд існуючого рівня техніки, яка застосовується для вимірювань енергетичних характеристик оптичного випромінювання. Проведено аналіз технічного та метрологічного рівня відомих виробів. Зокрема радіометрів теплового, ультрафіолетового випромінювання та фотометрів оптичного випромінювання для контролю гігієнічних норм опромінення людей.

Показано, що вони не у повній мірі відповідають вимогам санітарно-гігієнічних норм опромінення людей та сучасним метрологічним вимогам. На основі проведеного аналізу сформульовано та обґрунтовано перспективні напрямки досліджень, які розробляються у даній дисертації.

Розділ другий присвячено теоретичному аналізу ефективності застосування термоперетворювачів на основі анізотропних термоелементів (АТ) та порожнинних термоперетворювачів (ПТП) для реєстрації енергетичних характеристик оптичного випромінювання [11]. Зокрема розраховані їх інтегральна чутливість, стала часу, поріг чутливості та виявна здатність, тепловий режим роботи АТ. Показано, що чим ширша гілка термоелемента, тим більше його інтегральна чутливість.

За допомогою рівняння теплового балансу проведено розрахунок перегріву порожнини і тепловтрат у випадках різних ПТП з поетапним ускладненням їх конструкції [6]. Приймач випромінювання (порожнина) виконана конусно-циліндричним елементом з міді товщиною 30 мкм, що виготовлений методом електролітичного осадження, внутрішня поверхня якого вкрита глибоко матовою емаллю. Така геометрія порожнини разом з покриттям забезпечує неселективність приймача у широкому діапазоні спектра, а коефіцієнт поглинання близький до одиниці.

У таблиці 1 наведені розрахункові значення ДТ, термо-е.р.с. (Е) батареї АТ (БАТ) і вольт-ватної чутливості S термоперетворювача у залежності від кількості елементів m та їх висоти в.

Використання БАТ разом із ПТП призводить до різкого зниження перегріву приймальної порожнини ДT від 4,749 К до 0,061 К; теплові втрати на зворотне випромінювання порожнини та з бічних поверхонь АТ не перевищують декількох сотих відсотка від потоку; теплові втрати з вільної поверхні порожнини значні, але їх можна зменшити, застосовуючи для тепловідводу термоелементи; чутливість цілком достатня для практичних вимірювань.

Досліджено плоский термоперетворювач на АТ (таблиця 2). Показано, що найбільш оптимальним є БАТ з числом елементів, рівним 8-10. При цьому забезпечується достатньо великі значення термо-е.р.с. на виході при тепловтратах у межах 5 - 6 %, які визначають систематичну похибку радіометра. Найбільш оптимальною є висота термоелементів 0,5 мм. Результати оптимізації теплового режиму плоского термоперетворювача з БАТ, використані при конструюванні радіометрів енергетичної освітленості [12].

Таблиця 1 Розраховані параметри АТ

в, мм	m	ДT, К	Е, мВ	S, В/Вт
0,5	20 40	0,115 0,061	6,90 7,32	0,352 0,373
1,0	20 40	0,227 0,123	6,81 7,38	0,347 0,376
1,5	20 40	0,336 0,183	6,61 7,32	0,336 0,373



Таблиця 2 Виміряні параметри АТ

в, мм	m	ДT, К	Е, мВ	S, В/Вт
0,5	6 10 14	0,252 0,245 0,239	2,268 3,675 5,019	0,32 0,52 0,71
1,0	6 10 14	0,469 0,283 0,202	2,111 2,123 2,121	0,30 0,30 0,30
1,5	6 10 14	0,649 0,394 0,283	1,947 1,970 1,981	0,28 0,28 0,28

Розділ третій присвячений розробці радіометрів енергетичної освітленості на ТА. Розроблено новий термоелектричний перетворювач (ТЕП) на основі АТ з монокристалічного антимоніду кадмію [2]. Детектуючий модуль для вимірювання енергетичної освітленості (рис. 1) містить два ідентичних ТЕП, що розташовані з обох боків тепловідводу і з'єднані диференційно між собою. ТЕП містить 1 - ситалову підкладку (1), БАТ (2), тепловідвод (3), поглинаюче чорніння (4), нагрівний елемент (5), корпус (6) з діафрагмою D.

Модуль вимірює енергетичну освітленості від 10 до 2·10⁴ Вт/м² у діапазоні довжин хвиль 0,2 - 25,0 мкм з чутливістю до 0,52 В/Вт. Конструкція забезпечує кут повного розкриття до 140^о.

На базі детектуючого модулю розроблені радіометри енергетичної освітленості РАТ-1П та РАТ-2П [12,2], які призначені для проведення санітарно-гігієнічних досліджень при атестації робочих місць.

Структурна схема радіометрів та їх зовнішній вигляд наведені відповідно на рисунках 2 та 3. Схема складається з термоперетворювачів, один з яких освітлюється 2 та компенсаційного 3 з нагрівником заміщення.

До структурної схеми включені: перетворювач напруги 4, блок живлення 5, підсилювач з корекцією нуля 6, функціональний перетворювач 7 і аналогово-цифровий перетворювач з цифровим табло 8. При цьому блок 4 включає: задаючий генератор та підсилювач потужності з трансформаторним виходом, що генерує стабілізовану напругу живлення для роботи схеми.

Радіометри комплектуються фільтром, який виділяє область чутливості 1-15 мкм для контролю впливу цього випромінювання на організм людини. Вимірювання енергетичної освітленості здійснюється у діапазоні від 10 до 2·10⁴ Вт/м² з границею допустимої основної відносної похибки 6 %.

Градуювання радіометрів типу РАТ забезпечується, в тому числі, низько- температурним випромінювачем «аболютно чорне тіло» (АЧТ) на базі оптимізованого гофрованого конуса [8].

Створена математична модель, яка дозволяє оцінити його коефіцієнт випромінювання е' у залежності від коефіцієнту відбиття матеріалу (с), діаметру отвору (D), довжини конуса (?), а також від кількості гофрів при різних висотах гофрів, товщини ребер гофрів та кількості гофрів при різних довжинах випромінюючого конуса [7].

Зокрема, внаслідок гофрування коефіцієнт відбиття матеріалу стінок моделі конуса с, що випромінює, дорівнює:

с = сsinш_r, (1)

де ш_r - кут гофрування

На ребрах гофри коефіцієнт відбиття залишається рівним с.

Коефіцієнт яскравості ділянки dу в напрямку вихідного отвору Дn, коли випромінювання падає на нього з елемента dA (r^sn_у) визначається як:

r^sn_у = k₁сsinш_r + k₂с, (2)

де k₁= Ѕ_вн.р /Ѕ_кон - коефіцієнт, що враховує відносний внесок в яскравість внутрішніх ребер гофр;

k₂ = (Ѕ_кон - Ѕ_вн.р ) / Ѕ_кон - коефіцієнт, що враховує відносний внесок в яскравість простору між ребрами гофр;

Ѕ_вн.р - площина внутрішніх ребер гофри;

Ѕ_кон - площина поверхні всього внутрішнього конуса.

Коефіцієнт випромінювання е' з врахуванням гофрування конуса і врахуванням (1) та (2) визначатиметься як:

е' = 1 - сsinш_r D² / (4?² + D²), (3)

Розв'язано задачу знаходження мінімальної довжини гофрованого конусу ?_мін з апертурою 4 см та числом гофрів N = 16…32, за якої коефіцієнт випромінювання е' залишався б не нижче 0,99995 (рис. 4).

Показано, що при тій же самій апертурі гофрована порожнина дозволяє зменшити габарити пристрою у декілька разів, забезпечуючи при цьому високе значення е'.

Видно, що за однієї і тієї ж апертури гофрована порожнина дозволяє зменшити габарити пристрою у кілька разів, забезпечуючи при цьому достатньо високе значення коефіцієнта випромінювання, що значно покращує метрологічні характеристики АЧТ.

За результатами моделювання розроблено АЧТ [8, 2] для калібрування пірометрів, радіометрів та приладів інфрачервоного діапазону. Параметри створеного АЧТ та його прецизійної модифікації (АЧТпр) наведені у таблиці 3.

Таблиця 3 Параметри АЧТ

Параметр, одиниця вимірювання	Значення параметра
	АЧТ	АЧТпр
Діапазон температур, К	235-303	253-473
Дискретність завдання температури, К	0,5	0,5
Точність підтримки температури, К	0,025	0,01
Апертура, мм	25	20-70
Випромінювальна здатність	0,9997	0,998



Випромінююча порожнина виготовлена з міді товщиною 0,4 мм у вигляді гофрованого конуса довжиною 84 мм з числом гофрів N=18 та апертурою 25 мм, що забезпечує при с=0,07 та д=0,05 мм мінімальну випромінюючу здатність е'=0,9999. Внутрішня поверхня порожнини покрита чорненою матовою емаллю.

Розроблено установку для атестації та повірки засобів вимірювань енергетичної освітленості у діапазоні 10 - 2000 Вт/м² у спектральному діапазоні 0,2-25,0 мкм [4], блок-схема якої наведена на рисунку.

Установка складається із захисної камери (1), зразкового засобу вимірювання (2), послаблюючого фільтру (3), діафрагми (4), конденсора (5), автоматичної шторки (6), освітлювача (7), цифрового вольтметра (8) та блоку живлення (9). Межі допустимої основної відносної похибки вимірювань енергетичної освітленості не перевищують 1,5%.

Розділ четвертий присвячено створенню радіометрів ультрафіолетового випромінювання. Зокрема розроблено поверхневобар'єрний фотодіод (ФД) на основі фосфіду галію (GaP) та плівки двооксиду олова, що легована фтором, чутливий переважно в УФ-області спектру [9, 15]. Конструкція ФД наведена на рисунку 6 і складається з підкладки (1), епітаксійного шару GaP (2), шару окису кремнію (3), плівки двооксиду олова (4), нікелю з підшарком індію (5).

Проведено дослідження технічного рівня розробленого ФД та відомих фотоприймачів, що придатні для використання в УФ-радіометрах [10]. Головною перевагою ФД є високі значення та стабільність за часом струмової монохрома-тичної чутливості, яка на довжині хвилі =440 нм складає не менше 0,25 А/Вт.

Розроблено головку радіометричну (ГР) та радіометр УФ-випромінювання УФР-21 для радіометрії УФ областей А, В та С [1]. Зовнішній вигляд радіометра УФР-21 наведено на рисунку 7.

Спектральний діапазон вимірювань радіометра 0,22-0,4 мкм, динамічний діапазон вимірювань 10^-4 - 2·10² Вт/м², межа допустимої основної відносної похибки ± 7 %, короткочасна нестабільність чутливості не перевищує 1%. Радіометр оптимізовано для дослідження ртутних джерел УФ- випромінювання.

Досліджено поправки cor_АВС, які обумовлені формою спектра випромінювання (рис. 8 а, в), що вимірюється, та її залежністю від температури джерела випромінювання (рис. 8 б, г) [13]. Поправки для фотоприймачів на діапазони А, Б, С обраховувались за формулою:

, (4)

де Е_r(л)- відносне спектральне розподілення джерела, що вимірюється;

S_АВС (л) - відносна спектральна чутливість приймачів А, В, С.

Обчислено чутливість поза відповідними областями спектральної чутливості (зсув ефективних довжин хвиль).

Розроблена удосконалена версія радіометра УФР-21 - інтелектуальний УФ- радіометр «Тензор-31» [5, 16], який працює у діалоговому режимі та здатний автоматично вводити поправочні коефіцієнти для відомих джерел УФ- випромінювання, забезпечує введення поправочних коефіцієнтів для довільних джерел, спектральні характеристики яких відомі. Зовнішній вигляд УФ-радіометра «Тензор-31» наведений на рисунку 9.

На рисунку наведена блок-схема радіометра, який складається з радіо-метричної головки (1), косинусної насадки (2), змінних світлофільтрів А, В, С (3,4), діафрагми (5), ФД першого та другого каналів (6), корпусу РМГ (7), з'єднувального кабелю (8), прецизійних перетворювачів «струм-напруга» першого та другого каналів (9, 10), мікро-контроллеру (11), рідкокристалічного індикатору 16Ч4 (12), клавіатури (13), вимірювального блоку (14). Параметри УФ- радіометрів Тензор-31 та УФР-21 аналогічні, але, Тензор-31 оптимізовано для вимірювання будь-якого джерела УФ-випромінювання.

Радіометр працює наступним чином.

УФ-випромінювання, генероване джерелом певного спектрального складу падає на світлофільтр (3), який пропускає оптичне випромінювання робочого діапазону довжин хвиль. При цьому формується потік енергетичної освітленості, який відповідає довжинам хвиль поза робочим діапазоном. Цей потік, завдяки другому світлофільтру (4), розділяється на два потоки, один з яких формується світлофільтром (4), який пропускає оптичне випромінювання робочого діапазону довжин хвиль, а другий залишається незмінним. Потік, що потрапляє на фотодіод незмінним, генерує фотосигнал, який відповідає енергетичній освітленості поза межами робочого діапазону довжин хвиль.

Попереднє нормування величин потоків, які потрапляють на фотодіоди, здійснюється за допомогою діафрагм (5), які містяться в одному корпусі і можуть мати різні діаметри для того, щоб величини потоків, які потрапляють на фотодіоди, були приблизно однакові (розбіжність між ними повинна бути не більше 10 %).

Обидва сигнали потрапляють до вимірювального блоку (14), де за допомогою перетворювачів струм-напруга (9 та 10) здійснюється попереднє підсилення фотосигналів, його оцифровування за допомогою аналогово-цифрового перетворювача (11) та розрахунок результуючого сигналу, який визначає реальне значення енергетичної освітленості у вибраному діапазоні довжин хвиль. Енергетична освітленість робочого діапазону довжин хвиль визначається згідно виразу:

Е_р = Е₂ - Е₁, (5)

де Е_р - енергетична освітленість в робочому діапазоні довжин хвиль;

Е₁ - енергетична освітленість, виміряна за допомогою першого фотодіода (потік у діапазоні довжин хвиль поза робочим діапазоном довжин хвиль);

Е₂ - енергетична освітленість, виміряна за допомогою другого фотодіода (потік у робочому діапазоні довжин хвиль).

Таким чином, вплив оптичного випромінювання, розташованого поза межами робочого діапазону довжин хвиль, зводиться до мінімуму. При цьому величина похибки вимірювання, пов'язана із зазначеною обставиною - впливом оптичного випромінювання, розташованого поза межами робочого діапазону довжин хвиль, суттєво зменшується.

Для атестації та періодичної повірки радіометрів УФР-21 та Тензор-31 створено установку для вимірювання світлових параметрів оптоелектронних приладів, блок-схема якої наведена на рисунку 11.

Установка складається з джерела випромінювання (1), освітлювача (2), монохроматора (3), конденсора (4), спектрометричної головки (5), прецизійного підсилювача (6), діалого-обчислювального комплексу (7), програмного пристрою керування (8), стабілізатора (9) та друкуючого пристрою (10). Границя допустимої основної відносної похибки вимірювань установки складає 1,5 %.

Розроблені радіометри УФР-21 та Тензор-31 призначено для оснащення метрологічних служб Держспоживстандарту, лабораторій санепіднагляду МОЗ України, дослідницьких лабораторій Держгірпромнагляду з охорони праці, а також при екологічному моніторингу та у медичних цілях.

П'ятий розділ присвячено створенню обладнання для вимірювання характеристик оптичного випромінювання видимого діапазону (див. рис.10). А саме розроблені головка фотометрична (ГФ) [3] для вимірювання освітленості, що формується природним і штучним світлом та яскравості об'єктів, які не самі світяться, а також ГР для вимірювання енергетичного опромінення. На базі ГФ та ГР створено фотометр цифровий ТЕС 0693 для гігієнічної оцінки напруги органів зору [14, 11]. Зовнішній вигляд фотометра цифрового ТЕС 0693 наведено на рисунку 12.

Розроблена методика вимірювань освітленості, що створюється джерелами природного та штучного світла, та яскравості довільних джерел випромінювання [3]. Діапазон чутливості фотометра складає 380 - 780 нм. Діапазон вимірювань освітленості від довільно розташованого джерела складає 10 - 10⁵ лк, від точкового джерела 0,1 - 10⁴ лк. Діапазон вимірювань яскравості 10 - 2·10⁵ Кд/м², діапазон енергетичної освітленості 0,1 - 200 Вт/м². Межа допустимої основної відносної похибки вимірювань не перевищує ± 5 %.

Створено установку для вимірювання світлових параметрів оптоелектронних приладів [3]. Діапазон вимірювання освітленості 1·10² - 1·10³ лк, межі допустимої основної відносної похибки вимірювань освітленості складають 3 %.

ВИСНОВКИ

1. На основі проведених досліджень розроблені методи і засоби вимірювання енергетичних параметрів оптичного випромінювання у широкому спектральному діапазоні - УФ-випромінювання, видиме і інфрачервоне випромінювання.

2. Створено принципово новий термоелектричний перетворювач на основі анізотропних термоелементів з монокристалічного антимоніду кадмію, який у спектральному діапазоні 0,2 - 25,0 мкм має вольт-ватну чутливість до 0,53 В/Вт у діапазоні енергетичної освітленості від 10 до 2·10⁴ Вт/м²; опір від 7 до 20 кОм; інерційність до 12 сек; апертурний кут 120 - 130 град.

3. Розроблено портативний цифровий радіометр інтегрального опромінення РАТ для забезпечення вимірювань інтегральних характеристик енергетичного опромінення у спектральному діапазоні чутливості 0,2 - 25,0 мкм, у діапазоні енергетичної освітленості від 10 до 2·10⁴ Вт/м² з границею основної допустимої відносної похибки 6 %.

4. Розвинуто модель розрахунку низькотемпературного випромінювача абсолютно чорне тіло. Розв'язано задачу знаходження мінімальної довжини гофрованого конусу з апертурою 4 см та кількістю гофрів N = 16…32, при якій коефіцієнт випромінювання е' залишався б не нижче 0,99995. Показано, що при тій же самій апертурі гофрована порожнина дозволяє зменшити габарити пристрою у кілька разів, забезпечуючи при цьому достатньо високе значення коефіцієнта випромінювання.

5. Розроблено модифіковане абсолютно чорне тіло для калібрування пірометрів, радіометрів та приладів інфрачервоного діапазону з наступними параметрами: діапазон температур, що задаються (235 - 303) К; дискретність встановлення температури 0,5 К; точність підтримки температури 0,025 К; випромінювальна здатність 0,9997; градієнт температури вздовж утворюючої випромінювача не більше 0,0025К.

6. Створено прецизійні моделі випромінювачів типу АЧТ розширеного температурного діапазону (253 - 473) К з апертурами від 20 до 70 мм з наступними параметрами: діапазон температур, що задаються (253 - 473)К; мінімальна випромінювальна здатність 0,998; мінімальний діаметр випромінюючої поверхні 70 мм; точність підтримки температури у заданому режимі 0,01 К; час виходу на режим не більш 30 сек; крок завдання температури 0,5 К.

7. Розроблено метрологічну установку для атестації та повірки робочих засобів вимірювань енергетичної освітленості у діапазоні від 10 до 2000 Вт/м² у спектральному діапазоні від 0,2 до 25,0 мкм. Границі основної відносної похибки вимірювань енергетичної освітленості не перевищує 1,5 %.

8. Розроблено поверхнево-бар'єрний фотодіод на основі фосфіду галію та плівки двооксиду олова, що легована фтором, який чутливий переважно в УФ- області спектру. Величина порогового потоку фотодіоду складає 5·10^-15 Вт/Гц^1/2. Зворотній струм - 2,5·10^-14 А. Чутливість на довжині хвилі 300 нм складає не менше 0,12 - 0,15 А/Вт. Показано, що головною перевагою розроблених фотодіодів є висока стабільність за часом струмової монохроматичної чутливості. При цьому динамічний діапазон розробленого фотодіоду на два - три порядки перевищує динамічний діапазон фотодіоду на основі селеніду цинку та селенового фотоелементу.

9. Розроблено радіометри УФР-21 та Тензор-31 призначені для радіометрії ультрафіолетових областей спектру А, В та С. Радіометр Тензор-31 здатен коректно вимірювати УФ-випромінювання будь-якого джерела. Спектральний діапазон вимірювань радіометрів 0,2 - 0,4 мкм, динамічний діапазон вимірювань 10^-4 - 2·10² Вт/м², границя допустимої основної відносної похибки ± 5 %, короткочасна нестабільність чутливості не перевищує 1 %, косинусна додаткова похибка радіометричної головки радіометра при кутах падіння потоку випромінювання 30, 60 і 80 кутових градусів складає відповідно ± 5, ± 15 та ± 25 %. Розроблено методики та відповідне обладнання для метрологічної атестації радіометрів УФР-21 та Тензор-31.

10. Досліджено поправки cor_АВС, які обумовлені формою спектра випромінювання, що вимірюється, та залежність величини cor_АВС від температури джерела випромінювання. Обчислено зсув ефективних довжин хвиль (не нульова чутливість поза відповідної області спектральної чутливості).

11. Розроблено фотометр цифровий ТЕС 0693 для атестації робочих місць та гігієнічної оцінки умов праці при виконанні робіт, що пов'язані з напругою органів зору, укомплектовано відповідними фото- і радіометричними головками. Розроблена методика вимірювань освітленості, що створюється джерелами природного та штучного світла, та яскравості довільних джерел випромінювання, у тому числі розрядних ламп. Діапазон чутливості фотометра складає 380 - 760 нм. Діапазон вимірювань освітленості від довільно розташованого джерела складає 10 - 10⁵ лк, від точкового джерела 0,1 - 10⁴ лк. Діапазон вимірювань яскравості 10 - 2·10⁵ Кд/м², діапазон енергетичної освітленості 0,1 - 200 Вт/м². Границя основна допустимої відносної похибки у робочих умовах експлуатації складає ± 5 %. Нестабільність вимірювань 1 %. Створено установку для вимірювання світлових параметрів оптоелектронних приладів. Діапазон вимірювання освітленості 1·10² - 1·10³ лк, границя основної відносної похибки вимірювань освітленості ± 3 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шабашкевич Б.Г. Особливості розробки ультрафіолетового радіометра / Б.Г. Шабашкевич // Український метрологічний журнал. -2005. -№3. -с. 34-38.

2. Добровольский Ю.Г. Анизотропный приемник потоков теплового излучения на основе антимонида кадмия / Ю.Г. Добровольский, Б.Г. Шабашкевич // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2009. -№1. -С.31-33.

3. Добровольский Ю.Г. Прилади НВФ «Тензор» для метрологічних досліджень параметрів світлового середовища / Ю.Г. Добровольский, Б.Г. Шабашкевич // Світлотехніка та електроенергетика. -2009. -№ 3. -с.25-29.

4. Пилат И.М. Радиометры энергетической освещенности на анизотропных термоэлементах / И.М. Пилат, Б.Г. Шабашкевич, С.И. Пироженко // Оптический журнал. -2000. -т.67. -№3. - С.83-85.

5. Бутенко В.К. Интеллектуальный радиометр ультрафиолетового излучения и его метрологическое обеспечение / Ю.Г. Добровольский, Б.Г. Шабашкевич, В.Г. Юрьев // Український метрологічний журнал. -2007. -№4. -с.12-19.

6. Шабашкевич Б.Г. Тепловые режимы термопреобразователей на анизотропных термоэлементах / Б.Г. Шабашкевич, С.И. Пироженко, А.Д. Шевченко, А.М. Гелич // Инженерно-физический журнал. -2000. -вып.2. - С. 447-453.

7. Шабашкевич Б.Г. Модель абсолютно черного тела с излучающей полостью в виде конуса, гофрированного по образующей / Б.Г. Шабашкевич, С.И. Пироженко, И.М. Пилат, З.К. Хомицкая // Оптический журнал. -1994. -№5. - С.26-30.

8. Пилат И.М. Модель низкотемпературного абсолютно черного тела / И.М. Пилат, С.И. Пироженко, Б.Г. Шабашкевич, В.В. Федоров // Приборы и техника эксперимента. -1993. -№ 6. -С.203-204.

9. Malik A. A new high ultraviolet sensivity FTO-GaP Schottky photo-diode fabricated by spray pyrolysis / A. Malik, A. Seco, E. Fortunator, R. Martins, B. Shabashkevich, S. Piroszenko // Semicond. Sci. Technol. -1998. -13. P.102-107.

10. Шабашкевич Б.Г. Модель абсолютно черного тела с излучающей полостью в виде конуса, гофрированного по образующей / Б.Г. Шабашкевич, С.И. Пироженко, И.М. Пилат, З.К. Хомицкая // Оптический журнал. -1994. -№5. -С.26-30.

11. Метрологія та вимірювальна техніка : зб. наук. праць 2-ї Міжнародної науково-технічної конференції / відп. ред. Павленко Ю.Ф. - Х. ХИМ, -1999. - С.90-92.

12. Тепловые приемники излучения : труды конф., 12 - 15 июня 1990 г., - Москва / отв. ред. Н.А Панкратов. -М. : ГОИ, 1990. -С. 118.

13. Метрологія та вимірювальна техніка : зб. наук. праць 3-ї Міжнародної науково-технічної конференції / відп. ред. Павленко Ю.Ф. - Х. ХИМ, -2002. - С.42-45.

14. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение : зб. научн. трудов научно-технической конференции / отв. ред. Перощук Я.М. -М. ВНИИОФИ, -1996. - с.5.

15. Патент України № 71544 Фотодіод для ультрафіолетової області спектра / Малік А.І., Шабашкевич Б.Г., Пироженко С.І. Заявник та патентовласник ТОВ «Науково-виробнича фірма «Тензор». -№ 2000010281 заявл. 18.01.2000 ; опубл. 15.12.2004, Бюл. № 12.

16. Патент України № 82843 Радіометр енергетичної освітленості ультрафіо-летового діапазону / Бутенко В.К., Добровольський Ю.Г., Піроженко С.І., Шабашкевич Б.Г., Юр'єв В.Г. Заявник та патентовласник ТОВ «Науково-виробнича фірма «Тензор». -№ 200500121 заявл. 04.01.05 ; опубл. 26.05.2008, Бюл. № 10.

АНОТАЦІЇ

Шабашкевич Б.Г. Прецизійні засоби вимірювання енергетичних характеристик оптичного випромінювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.07 - світлотехніка та джерела світла.- Харківська національна академія міського господарства, Харків, 2011.

У дисертації одержано результати створення прецизійних засобів вимірювальної техніки для вимірювання енергетичних характеристик оптичного випромінювання. Проведені аналітичні дослідження для створення оптимальних конструкцій датчиків енергетичних характеристик оптичного випромінювання, на основі яких створені: радіометри енергетичної (теплової) освітленості у діапазоні від 10 до 2·10⁴ Вт/м² з межею допустимої основної відносної похибки 6 % РАТ-1П та РАТ-2П; радіометр енергетичної УФ освітленості у діапазоні 10^-4-2·10² Вт/м² з межею допустимої основної відносної похибки ±5%; фотометр-яскравомір ТЕС-0693 для вимірювань освітленості у діапазоні 10-10⁵ лк, яскравості у діапазоні 10 - 2·10⁵ Кд/м², енергетичної освітленості у діапазоні 0,1-200 Вт/м² з межею допустимої основної відносної похибки ± 5 %. Створено обладнання для атестації та періодичної повірки створених виробів.

Ключові слова: анізотропний термоелемент, ультрафіолетове випромінювання, фотоприймач, радіометр, фотометр, чутливість, конструкція.

Shabashcevich B.G. The precision facilities of measuring of power descriptions of optical radiation. -Manuscript. Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.09.07 - Lightning Engineering and Light Sources.- Kharkov National Academy of Municipal Economy, Kharkiv, 2011.

In dissertation the results of creation of the precision facilities of measuring technique for measuring of power descriptions of optical radiation is obtained. Theoretical researches for creation of optimum constructions of sensors of power descriptions of optical radiation are conducted: radiometers of power (thermal) luminosity in a range from 10 to 2·10⁴ W/m² with the border of permissible basic relative error ± 6 % PAT-1П and РAT-2П; radiometer of power UV luminosity in a range 10^-4 - 2·10² Vt/m² with the border of permissible basic relative error ± 5 %; photometer TEС-0693 for measuring of luminosity in a range 10 - 10⁵ lc, brightness in a range 10 - 2·10⁵ Cd/m², power luminosity in a range 0,1 - 200 Vt/m² with the border of permissible basic relative error ± 5 %. The equipment is created for attestation of the created wares.

Keywords: anisotropic thermo-couple, ultraviolet radiation, photoreceiver, radiometer, photometer, sensitiveness, construction.

Шабашкевич Б.Г. Прецизионные средства измерения энергетических характеристик оптического излучения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.07 - светотехника и источники света.- Харьковская национальная академия городского хозяйства, Харьков, 2011.

В диссертации получены результаты создания прецизионных средств измерительной техники для измерения энергетических характеристик оптического излучения при санитарно-гигиенических исследованиях условий труда. Проведены теоретические исследования для создания оптимальных конструкций датчиков энергетических характеристик оптического излучения: термоперобразователей полостного и плоского на основе анизотропных термоэлементов с чувствитель-ностью 0,52 В/Вт для регистрации тепловых потоков. Разработан фотодиод на основе фосфида галлия и пленки двуокиси олова для регистрации ультрафиолетового излучения с чувствительностью в максимуме спектральной характеристики 0,25 А/Вт. Проанализированы факторы, влияющие на точность измерения энергетической УФ освещенности. Показано, что наличие чувствительности за пределами выбранной области спектра дают ошибку до сотен процентов.

Создана математическая модель низкотемпературного абсолютно черного тела на основе гофрированного конуса с излучающей способностью е' = 0,9999 для калибровки радиометров типа РАТ.

Разработаны метрологические установки для аттестации и поверки рабочих средств измерений энергетической освещенности в диапазоне 10-2000 Вт/м² и световых параметров оптоэлектронных приборов с пределом допустимой основной относительной погрешности 1,5%.

Разработано ряд приборов для радиометрии энергетических характеристик оптического излучения.

В частности:

- радиометры РАТ-1П и РАТ-2П предназначены для измерения энергетической освещенности в диапазоне от 10 до 2·10⁴ Вт/м² в спектральном диапазоне 0,2 - 24 мкм, с пределом допустимой основной относительной погрешности ± 6 %.

- радиометры ультрафиолетового диапазона спектра (0,22 - 0,4 мкм) УФР-21 и (0,2 - 0,4 мкм) Тензор-31, измеряющие энергетическую освещенность в диапазоне 10^-4 - 2·10² Вт/м² с пределом допустимой основной относительной погрешности ± 5 %.

- фотометр-яркомер ТЕС-0693 (спектральный диапазон 0,38 - 0,78 мкм) для измерения освещенности в диапазоне 10 - 10⁵ лк, яркости в диапазоне 10 - 2·10⁵ Кд/м², энергетической освещенности в диапазоне 0,1 - 200 Вт/м² с пределом допустимой основной относительной погрешности ± 5 %.

Ключевые слова: анизотропный термоэлемент, ультрафиолетовое излучение, фотоприемник, радиометр, фотометр, чувствительность, конструкция.

Размещено на Allbest.ru

...